一種本安型有水信號傳感器設計

范則陽，程 駿，謝 坤

(中國艦船研究設計中心，湖北武漢430064)

0 引言

船舶在水中航行時，船艙底部不可避免的存在積水，在事故或者撞擊情況下更會出現破損進水，這些都會影響船舶的安全性。為了保障船舶的安全性，提醒船員在船艙艙底積水時進行疏水、在破損大量進水時采取相應的抗沉措施，船舶都需要在艙底安裝艙底進水報警裝置［1］。

船舶艙底環(huán)境異常惡劣，船舶主機艙存在大量的油污，工作溫度高達50℃;船舶蓄電池艙存在強酸性的液體和爆炸性氣體，需要滿足防爆的要求［2］。如何保證在如此惡劣的環(huán)境下艙底進水報警裝置安全、可靠地檢測到艙底進水情況是一項亟急需解決的難題。本文針對這種情況，設計了一種本質安全型有水信號傳感器，經試驗驗證，并在船舶上進行了實際應用。

1 傳感器結構與設計要求

有水信號傳感器外形如圖1所示。有水信號傳感器為水密式結構［1］，自帶5 m長 JHRP85/SC 2×1.0型艦用電纜，傳感器的防爆等級為ExibIICT1。傳感器通過安裝卡安裝在船舶艙室底部。

圖1 有水信號傳感器外形圖Fig 1 Water signal sensor contour image

設計船舶艙底有水信號檢測傳感器需考慮船舶艙底工作的特定環(huán)境條件要求，確保在惡劣的環(huán)境下可靠地輸出有水信號。具體要求如下［3～4］:

1)滿足耐油污要求:船舶主機艙存在大量的油污，布置在這些區(qū)域的有水信號傳感器需滿足耐油污要求;

2)滿足耐強酸要求:船舶蓄電池艙存在強酸性的液體，布置在這些區(qū)域的有水信號傳感器需滿足耐強酸要求;

3)滿足蓄電池艙防爆要求:船舶蓄電池艙蓄電池組在充放電過程中會產生爆炸性氣體——氫氣，安裝在蓄電池艙艙底的電氣設備需滿足IICT1防爆等級的要求;

4)在傾斜和搖擺航行狀態(tài)下可靠工作:船舶在航行時，受風浪影響會產生傾斜、搖擺，有水信號傳感器需保證在這種航行狀態(tài)下工作的可靠性。

2 設計方案

2.1 傳感器類型的選擇

目前，檢測船舶艙底有進水狀況的傳感器有浮子液位計、浮子開關和電極式傳感器3種類型［5～7］。

浮子液位計和浮子開關不適合船舶上傾斜和搖擺的航行狀態(tài)以及船舶艙底油污和雜質的工作環(huán)境。根據船舶應用的特點和傳感器的工作環(huán)境，本裝置采用電極式傳感器。

電極式傳感器是應用較為廣泛的一種傳感器，其工作原理是傳感器內部設有2根導電電極，當艙底進水淹沒傳感器的2根電極后，電極導通，檢測電路根據阻值變化進行邏輯處理后，輸出報警信息［8］。這種傳感器的優(yōu)點是價格便宜，工作可靠。

2.2 傳感器防爆形式的選擇

電氣設備的防爆形式有隔爆型、增安型、本質安全型、正壓型、充油型、充沙型、澆封型。

由于有水信號傳感器采用電極式，這種傳感器的2根電極需與水接觸才能發(fā)出有水報警信號，而且，2根電極短路時有產生電火花的可能性，隔爆型、增安型、正壓型、充油型、充沙型、澆封型的防爆形式均不適用于電極式傳感器。根據電極式傳感器的特點，采用本質安全型的防爆形式。

2.3 傳感器的設計

有水信號傳感器為水密式結構，它主要由電極、傳感器本體、安裝卡、電纜組成。

2.3.1 傳感器本體設計

傳感器本體由防護罩和底座組成。底座用于固定電極，防護罩用于固定電纜和安裝卡，兩者之間通過螺紋連接。傳感器本體采用具有耐酸和耐腐蝕的聚四氟乙烯材料。防護罩外形圖如圖2(a)所示，底座的外形圖如圖2(b)所示。

圖2 傳感器防護罩與底座外形圖Fig 2 Profile drawing of shield and pedestal

2.3.2 電極設計

電極外形如圖3所示。導電電極采用不銹鋼材料，針形結構，可以滿足耐油污和耐酸性的要求。

圖3 電極外形圖Fig 3 Electrode profile drawing

2.3.3 安裝卡設計

安裝卡外形如圖4所示。安裝卡由2個半圓形的不銹鋼條組成，由螺絲連接后卡箍在防護罩上。

圖4 安裝卡外形圖Fig 4 Mounting card profile drawing

圖5 有水信號傳感器裝配圖Fig 5 Assembly drawing of water signal sensor

2.3.6 傳感器參數設計

根據傳感器的物理特性，為保證檢測電路的靈敏度，并防止最高輸入電壓、電流過大燒壞邏輯處理單元，確定本傳感器最高輸入電壓Ui=13V，最大輸入電流Ii=300 mA。根據傳感器的工作特性，提出電阻值要求，即接觸水電阻值要求R1＜100 kΩ、脫離水電阻值要求R2＞100 MΩ。

由此計算，傳感器最大輸入功率［9］

傳感器的內部等效電容、等效電感即為傳感器自帶電纜的等效電感、等效電容。JHRP85/SC 2×1.0電纜的分布電容Ck為 0.094μF·km-1，分布電感 Lk為 0.48 mH·km-1［9］。傳感器自帶電纜長度為5 m，則其最大內部等效電容和等效電感為

2.3.7 其他工藝設計

傳感器的設計時還考慮了下列因素［2］:

1)傳感器的外形和電極的形狀均經過多次試驗后制成，確保在惡劣的條件下可靠的輸出有水信號;

2)有水信號傳感器通過安裝卡安裝在船舶艙室底部，必須保證安裝卡可靠接地。

2.3.8 本安性能評定

本安性能評定主要是對傳感器的最高輸入電壓Ui、最大輸入電流Ii、最大內部等效電容Ci、最大內部等效電感Li等主要參數的評估，判斷上述參數是否滿足ExibIICT1防爆等級的要求［10］。

對于IIC類設備，在電壓13V，取1.5倍的安全系數時，其最小點燃電流為2.02A［10］。本傳感器的最大輸入電流Ii為300 mA，故傳感器供電部分設計是滿足本質安全性要求的。

對于IIC類設備，在電壓13V，取1.5倍的安全系數時，允許的電容為1.00μF［10］。本傳感器的最大內部等效電容Ci為0.47 nF，故傳感器最大內部等效電容是滿足本質安全性要求的。

對于IIC類設備，在電壓16 V，最小點燃電流為0.3 A時，其允許的電感為0.8 mH［10］。本傳感器的工作電壓是13 V，最大內部等效電感Li為2.4μH，均小于上述數值，故傳感器最大內部等效電感是滿足本質安全性要求的。

綜上所述，傳感器的最高輸入電壓Ui、最大輸入電流Ii、最大內部等效電容Ci、最大內部等效電感Li等主要參數均滿足IIC類本質安全設備的要求。

3 試驗驗證

驗證試驗包括參數測試試驗、功能試驗和防爆認證試驗。

表1～表3為參數測試試驗、功能試驗和防爆認證試驗結果。試驗結果表明:傳感器的參數實測值與設計值基本一致，傳感器的有水信號輸出功能滿足要求，傳感器的防爆等級滿足ExibIICT1的要求。

表1 傳感器參數測試結果Tab 1 Test results of sensor parameter

表2 傳感器功能試驗結果Tab 2 Test results of sensor function

表3 傳感器防爆認證試驗結果Tab 3 Test results of sensor explosion-proof certification

4 結論

本文論述了一種本質安全型有水信號傳感器的選型、外形及參數設計、本質性能評定及試驗驗證的過程。該傳感器具有工作可靠，安裝方便的特點，可滿足船舶蓄電池艙IICT1防爆等級要求，已經廣泛應用于各型船舶，并取得了良好的效果。

［1］宮 山.散貨船進水報警裝置技術要求［J］.中國船檢，2003(3):80-81.

［2］孟建明.散貨船貨艙進水檢測裝置安裝的改進建議［J］.航海技術，2010(1):59-61.

［3］中國船舶工業(yè)總公司.CB 1328—1997潛艇艙底進水報警裝置規(guī)范［S］.

［4］國家技術監(jiān)督局.GB 3836.1—2000爆炸性氣體環(huán)境用電氣設備 第1部分:通用要求［S］.

［5］Convey H J，Booth M J.Development of a water leak detector system［J］.Computing ＆ Control Engineering Journal，2002，13(1):33-38.

［6］舒大興，陳 偉.MSP430在大量程浮子液位式液位計中的應用［J］.國外電子元器件，2005(3):21-23.

［7］方萬水，孫鋒吾.艦船綜合報警系統(tǒng)研制［J］.中國修船，2007，20(5):29，30.

［8］Wen Yumei，Li Ping，Yang Jin，et al.Information processing in buried pipeline leak detection system［C］∥Proc of 2004 IEEE Int’l Conf on Information Acquisition，2004:489-493.

［9］徐建平.“防爆安全技術”講座(第12講 本安系統(tǒng)一般設計要求)［J］.自動化儀表，2009(1):73-78.

［10］GB 3836.4—2000爆炸性氣體環(huán)境用電氣設備第4部分:本質安全型“i”［S］.